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【東華大學】學術前沿--發明改變人類生活,驅動人類進步
發表日期: 2016-02-05 文章來源: 東華大學人才工作辦公室
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  2006年,世界上第一個納米發電機利用單根納米線結構實現了從機械能到電能的轉化,完全顛覆了世人對發電機必須具有磁鐵和線圈的認識,并由此開創了全新的納米能源領域。十年再磨一劍,如今,由中國科學院北京納米能源與系統研究所和美國佐治亞理工學院共同參與的科研團隊在王中林教授的帶領下,又提出了評判納米發電機的標準?!蹲勻弧ㄑ丁?015年9月刊登了題為《Standards and Figure-of-Merits for Quantifying the Performance of Triboelectric Nanogenerators》的研究成果。標準定義了摩擦納米發電機的品質因數作為其標準,并對發電機的結構品質因數和材料品質因數分別進行了模擬計算和實驗測量。該研究為摩擦納米發電機的進一步應用和工業化奠定了基礎。

  納米發電機未來將在三大領域有突出的應用前景。首先是移動通訊和移動能源。移動設備的小型化、移動化趨勢,便攜式可穿戴智能設備的出現,對人類的生活、感知帶來巨大轉變,但是能量供應和電池續航力是發展道路上的一個巨大瓶頸。摩擦發電技術,讓人類在走路、穿衣、甚至呼吸時產生的摩擦都能轉變成電能,從而人體自身變成了一個“移動電源”。第二個應用是自驅動傳感、物聯網、環境監測和國防技術方面。另外,納米發電機可以收集風能和海洋能。利用摩擦發電技術,在一堵墻上做出蜂窩狀的小洞,只要有風就可以發電。摩擦納米發電技術也可以實現太陽能、風能、海洋能的疊加和集成,實現全天候能量的收集和利用。

  摩擦納米發電機自發明以來,其輸出性能已經為實驗和理論所證明。然而,由于此發電機的輸出與外界機械能輸入以及外接負載都有很大關系,如何評價發電機的品質一直是一個難題。沒有一個統一的標準來評價基于多種模式多種結構的摩擦發電機的輸出能力,而且各種發電機之間也無法進行比較。相比之下,其它的能量轉換器件都有自己標準,例如熱機的卡諾效率、太陽能電池的能量轉換效率、熱電材料的ZT因子等等。評價標準的缺乏會極大地制約該發電機的發展和應用。而目前對于發電人們主要關注其平均輸出功率和能量轉換效率。由訾云龍博士、博士生牛思淼等組成的團隊,在王中林教授的指導下,從摩擦納米發電機的電壓V-電極間轉移電荷量Q曲線出發,對于發電機每周期輸出能量進行了研究,并且首次提出了摩擦納米發電機的最大能量輸出循環?;詿搜?,參考了發電機平均輸出功率和能量轉換效率的定義,研究人員提出了發電機的性能品質因數作為評價發電機的標準,其中包括一個與發電機設計相關的結構品質因數和一個等于表面電荷密度平方的材料品質因數。為了表征和比較不同結構的摩擦納米發電機,研究人員通過解析式計算和有限元模擬得出了摩擦納米發電機的結構品質因數,并對不同模式和結構的納米發電機進行了比較。該團隊還提供一種標準方法來表征材料品質因數,采用液態金屬較為準確測量了摩擦層材料的表面電荷密度并計算了相關的材料品質因數。   

  據王中林院士介紹,隨著摩擦納米發電機技術研發工作的不斷推進,預期未來的10到15年之中,有望成為比肩傳統電磁感應發電技術的普適發電技術。目前已有多項技術成果在和一些企業進行接洽,洽談產業化合作。

  [同行業專家評價]文章中所提出的一系列標準、模擬與實驗的手段、理論和實驗的結果對于摩擦納米發電機來說都屬于革命性的突破。首先,研究者所定義的品質因數作為摩擦納米發電機的可信的標準,實現了定量評價該發電機和比較不同發電機性能的方法。其次,文章中對結構品質因數的模擬成為了摩擦納米發電機結構進一步優化的依據。最后,文章中所提出來的通過液態金屬(液態鎵及其合金等)對摩擦表面電荷密度的測量為材料摩擦性能的量化提供了依據。

  此外,該研究中還體現了許多科學上和技術上的創新點。首先,文章中所使用的通過發電機的V-Q曲線來研究摩擦納米發電機輸出性能的研究手段將成為研究該發電機的有效工具。其次,通過該V-Q曲線,研究人員所提出的具有最大可能輸出的循環為將來設計和優化該發電機的輸出循環提供了標桿;和其它能量轉換器件(如熱機)不同的是,這個具有最大輸出的循環是可以通過實驗來實現的。最后,該研究還為從結構上和材料上評價摩擦納米發電機提供了標準方法。因此,該研究對于摩擦納米發電機的發展和應用具有重大意義,并將為推動摩擦納米發電機的工業化生產奠定基礎。

  文/紡織學院 李召嶺 

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